Principi di funzionamento delle fibre ottiche. Filippo Pigozzo Corso di Lasers e fibre ottiche 2008

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1 Principi di funzionamento delle fibre ottiche Filippo Pigozzo Corso di Lasers e fibre ottiche 2008

2 La fibra ottica (1/11) 2 Una fibra ottica è una guida d onda cilindrica fatta di materiale dielettrico a basse perdite come il vetro di silice o recentemente la plastica (fibre POF). E' costituita anch'essa da un nucleo centrale (core), in cui viene guidata la luce, immerso in un mantello esterno (cladding) ad indice di rifrazione leggermente inferiore. Esiste poi un rivestimento esterno che dà resistenza meccanica alla fibra.

3 La fibra ottica (2/11) 3 Sono numerosi i vantaggi introdotti dalle fibre ottiche: Elevata banda di trasmissione: data la lunghezza d'onda della luce è possibile tramettere un segnale che contiene molte più informazioni di quello che è possibile fare con un conduttore metallico (anche del cavo coassiale). Isolamento elettrico: le fibre ottiche non richiedono un cavo di terra. Trasmettitore e ricevitore sono isolati tra loro e sono quindi liberi da problemi circuitali (pila geologica). Non ci sono inoltre problemi di scariche e shock elettrici. Immunità alle interferenze elettromagnetiche: non emettono nè ricevono interferenze elettromagnetiche. Basse perdite: si può trasmettere per molti kilometri utilizzando meno ripetitori e amplificatori.

4 La fibra ottica (3/11) 4 Sono numerosi i vantaggi introdotti dalle fibre ottiche (continua): Leggerezza e compattezza: la fibra è leggera e un cavo di fibra ottica occupa meno spazio di uno metallico a parità di capacità di trasmettere i segnali. Sono facili da installare e le trincee per la posa sono più piccole.

5 La fibra ottica (4/11) 5 Alcune delle aree di applicazione più comuni per le fibre ottiche sono: Comunicazioni: voce, dati e video sono le informazioni che più vengono trasmesse tramite fibra ottica. Sensoristica: è possibile trasmettere la luce ad un sensore che misura pressione, temperaura o lo spettro. Trasduttore: la fibra può essere impiegata direttamente come sensore per misurare variabili ambientali quali sforzi, pressione, temperature, ph. Trasmissione di potenza: le fibre possono convogliare rilevanti quantità di potenza per le applicazioni di taglio, saldatura, marchio e foratura.

6 La fibra ottica (5/11) 6 Alcune delle aree di applicazione più comuni per le fibre ottiche sono (continua): Illuminazione: una treccia di fibre con una sorgente da una parte può illuminare aree difficili da raggiungere, per esempio dentro un corpo umano per essere usate con un endoscopio. Decorazione: per esempio negli alberi di Natale.

7 La fibra ottica (6/11) 7 Nella fibra ottica i raggi di luce che incidono all interfaccia nucleo mantello con angoli maggiori dell angolo critico subiscono riflessione totale e sono guidati nel nucleo senza rifrazione. Raggi con inclinazione inferiore vengono in parte rifratti e perdono potenza nel mantello ad ogni riflessione e non sono quindi guidati.

8 La fibra ottica (7/11) 8 Quando la luce è guidata dentro una fibra ci sono dei cambiamenti di fase ad ogni riflessione sul bordo. Verrà dimostrato che c'è un numero finito e discreto di cammini (che vengono chiamati modi) all'interno della fibra ottica che producono tra loro interferenza costruttiva (cioè in fase e quindi additiva) che sostengono la trasmissione della potenza. Poiché ognuno di questi modi si riflette con differenti angoli rispetto all'asse, ognuno di questi percorre una distanza diversa all'interno per portarsi dall'inizio alla fine della fibra.

9 La fibra ottica (8/11) 9 Solo un modo, quello che viene chiamato di ordine zero, attraversa la fibra senza riflessioni ai bordi ed è il primo che arriva alla fine della fibra. Il numero di modi che si propagano in una fibra è determinato da: La lunghezza d'onda della radiazione. Il diametro del core. Dagli indici di rifrazione di core e cladding.

10 La fibra ottica (9/11) 10 Le fibre si dividono in: Monomodo (SMF): se viene guidato un singolo modo. Multimodo (MMF): se vengono guidati più modi (tipicamente centinaia). Questa definizione deve essere sempre riferita ad una lunghezza d'onda, infatti una fibra ottica monomodale a 1550 nm se illuminata con un laser a 1000nm è bimodale.

11 La fibra ottica (dimensioni) (10/11) 11 Diametro nucleo Diametro mantello [µm] [µm] , FIBRE MULTIMODO PLASTICA Diametro nucleo Diametro mantello [µm] [µm] FIBRE MONOMODO SiO2 Diametro nucleo Diametro mantello [µm] [µm] Il core delle fibre multimodo è molto più grande di quelle monomodo. Esistono fibre di diametro diverso in commercio

12 La fibra ottica (11/11) 12 A seconda delle applicazioni le fibre mono o multimodo offrono diversi vantaggi. I vantaggi delle multimodo sono: E' più facile accoppiare potenza. Possono trasportare molta potenza. I vantaggi delle monomodo sono: non soffrono il problema della dispersione intermodale che limita la banda trasmissiva delle fibre multimodali. Permettono di trasmettere ad elevati bit-rate a distanze più lontane.

13 Forma dei modi (1/5) 13 Si è detto che i raggi in condizioni di riflessione totale possano propagarsi lungo la fibra, ma che questi sono un numero finito e discreto perché devono sommarsi costruttivamente. Questo significa che solo un insieme discreto di angoli maggiori dell angolo critico consentono propagazione modale.

14 Forma dei modi (2/5) 14 Affinché ci sia propagazione modale occorre che la fase in A e in C siano uguali: solo così l onda associata al raggio incidente può interferire in maniera non distruttiva con l onda associata al raggio riflesso. Questo significa che nel cammino ABC la fase accumulata dal raggio deve essere un multiplo di 2π radianti (360 ). C A θ1 n2 < n 1 θ1 2a n1 B n2 < n 1

15 Forma dei modi (3/5) 15 Imponendo questa condizione si trova una equazione che fornisce i valori (discreti) degli angoli permessi per la propagazione modale ad una particolare lunghezza d onda (frequenza) di lavoro. Anche usando la trattazione elettromagnetica rigorosa (risolvendo le equazioni di Maxwell) si trova che la fibra ottica guida un insieme finito e discreto di modi. La trattazione elettromagnetica permette inoltre di trovare la forma di questi modi. C A θ1 n2 < n 1 θ1 2a n1 B n2 < n 1

16 Forma dei modi (4/5) 16 Se il salto d indice è molto basso (guida lieve o weakly guiding) queste famiglie sono approssimate da una famiglia di modi detti LPn,m (polarizzati linearmente) dove i pedici n,m rendono conto della periodicità del campo nella direzione azimutale e del numero di massimi nella direzione radiale. LP21 LP22 LP31

17 Forma dei modi (5/5) 17

18 Condizione di monomodalità (1/2) 18 Ci si chiede se è possibile determinare delle condizioni affinché la fibra ottica sia monomodale. La soluzione delle equazioni di Maxwell, oltre alla forma dei modi permette di determinarne anche l'andamento della fase (che in questa trattazione non verrà analizzata) e la frequenza normalizzata v: 2 a 2 2 v= ncore n cladding con a raggio della fibra. Attraverso le equazioni di Maxwell si può dimostrare che se v < vcutoff = allora la fibra risulta monomodo e l unico modo supportato è l LP0,1.

19 Condizione di monomodalità (2/2) 19 2 a 2 2 v= n n core cladding Si vede come, assegnata la lunghezza d onda, si possa agire sulla dimensione del raggio del nucleo e sul salto d indice. Con valori di salto d indice: ncore n cladding = 0.01 n core il nucleo deve avere un diametro inferiore a 10 μm per garantire la monomodalità. La condizione di monomodalità v < vcutoff = può essere espressa in termini di lunghezza d'onda e questo porta a scrivere che: cutoff =2.6 a n 2core n2cladding

20 Apertura numerica (1/2) 20 In figura viene evidenziato un problema: ci si chiede qual'è il massimo angolo al quale un raggio può entrare per poter essere guidato per riflessione totale. Si può dimostrare che quest'angolo deve essere tale per cui: c =arcsin n 2core n2cladding La quantità NA= n 2core n2cladding =sin c prende il nome di apertura numerica e rappresenta la capacità della fibra di catturare le luce.

21 Apertura numerica (2/2) 21 Esempio: In una fibra con n1=1.46 e =0.01, NA=0.206 e l angolo di accettabilità risulta θc = 8.1 ; se non ci fosse il mantello (n2 = 1) allora θc = 90. L' NA delle fibre ottiche monomodali è circa 0.1 e quindi è molto difficile accoppiarci potenza. Si vede che allora le equazioni della frequenza normalizzata e delle lunghezze d'onda che soddisfano la condizione di monomodalità si possono esprimere anche nella forma: 2 a 2 2 a 2 v= ncore n cladding= NA cutoff =2.6 a n 2core n2cladding =2.6 a NA

22 Attenuazione (1/11) 22 Si osserva sempre che nel propagarsi attraverso un mezzo trasmissivo un segnale perde potenza. Questo fenomeno è chiamato attenuazione. L'attenuazione di una fibra ottica è misurata in decibel secondo la relazione (il logaritmo è in base 10): Pin AdB=10 log P out dove Pin è la potenza in ingresso e Pout quella in uscita. L'attenuazione di una fibra ottica dipende dalla lunghezza d'onda.

23 Attenuazione (2/11) 23 In generale i data-sheets contenenti i parametri caratteristici di una fibra tabulano le perdite in db/km ad una specifica lunghezza d'onda. Esempio: Nel propagarsi in una fibra la potenza si dimezza ogni 27Km. Determinare le perdite. Se la potenza si dimezza significa che le perdite totali sono di 3 db. 3 db / 27 km = 0.11 db/km.

24 Attenuazione (3/11) θ 24 (POF) 6

25 Attenuazione (4/11) 25 La cause dell'attenuazione in una fibra ottica si dividono in: Intrinseche: dovute alle caratteristiche del materiale che compone la fibra (la silice pura o la plastica). Estrinseche: dovute alla presenza di impurità nella fibra. Tutte queste perdite dipendono dalla lunghezza d'onda.

26 Attenuazione (fibre in silice) (5/11) 26 Le perdite intrinseche nelle fibre in silice sono dovute a 3 cause: Assorbimento all'ultravioletto: la radiazione porta ad uno stato eccitato gli atomi della silice e la potenza viene convertita in calore. Assorbimento all'infrarosso: la radiazione viene assorbita dagli stati vibrazionali della silice. Diffusione di Rayleigh: la silice è un materiale amorfo e quindi localmente (su scala microscopica) l'indice di rifrazione è disomogeneo. Le disomogeneità provocano la diffusione di una parte della luce in tutte le direzioni che quindi non viene più guidata. L'attenuazione varia come 1/λ4 ed è la causa di circa il 90% delle perdite delle moderne fibre ottiche.

27 Attenuazione (fibre in silice) (6/11) 27 Le perdite estrinseche nelle fibre in silice sono dovute a 2 cause: Assorbimento dello ione ossidrile OH-: la radiazione viene assorbita dagli stati vibrazionali dell'ossidrile. Assorbimento dell'idrogeno molecolare H2: la radiazione viene assorbita dagli stati vibrazionali della molecola di idrogeno H2 che date la sua piccole dimensioni penetra nella silice.

28 Attenuazione (fibre in silice) (7/11) 28

29 Attenuazione (fibre in plastica) (8/11) 29 N.B. Qui si parla di db/m

30 Attenuazione (9/11) 30 Vi sono ulteriori cause di perdita per radiazione che si verificano sempre quando una fibra ottica presenta una curva di raggio finito. Ci sono due diversi tipi di curvatura: curve macroscopiche: il raggio di curvatura e grande rispetto al diametro della fibra. casuali perturbazioni curve microscopiche: dell asse della fibra che danno luogo a curve molto irregolari e con piccolo raggio di curvatura.

31 Attenuazione (10/11) 31 Nelle curve macroscopiche le perdite sono legate al fatto che la luce ha velocità finita.

32 Attenuazione (11/11) 32 Nelle curve microscopiche le perdite sono legate alla radiazione che esce per diffrazione.

33 Dispersione (1/5) 33 Nel propagarsi in una fibra un impulso viene allargato nel tempo. Questo fenomeno è dovuto alla dispersione. Un paragone per comprendere: Le singole componenti spettrali possono essere rappresentate come corridori che viaggiano con velocità costante ma diversa l uno dall altro. (caso non dispersivo) Dopo una distanza percorsa sufficientemente lunga il distacco tra il corridore più veloce e quello più lento diventa rilevante, qualunque sia la posizione di partenza. Questo giustifica intuitivamente l'allargamento del segnale.

34 Dispersione (2/5) 34 Esistono due tipi di dispersione: Cromatica (chiamata anche intramodale). Modale.

35 Dispersione (dispersione cromatica) (3/5) 35 La dispersione cromatica avviene perché le diverse lunghezze d'onda viaggiano a velocità diversa all'interno della fibra. Poiché le sorgenti ottiche forniscono potenza in una banda di lunghezze d'onda piuttosto che in una singola componente spettrale l'impulso nel propagarsi nella fibra si allarga. A parità di mezzo trasmissivo gli effetti sono tanto più evidenti quanto maggiore è la larghezza spettrale della sorgente di informazione: Led: 40 nm. Laser: 1nm. I laser ad alta velocità usati nelle comunicazioni emettono con bande di frazioni di nanometro per ridurre la dispersione cromatica. Riguarda le fibre monomodo e multimodo.

36 Dispersione (dispersione cromatica) (4/5) 36 I contributi alla dispersione cromatica sono due: dovuta alla Dispersione del materiale: è variazione dell indice di rifrazione con la lunghezza d onda. Dispersione di guida: è dovuta al fatto che in fibra una parte della potenza ottica è confinata nel nucleo e una parte nel mantello.

37 Dispersione (dispersione modale) (5/5) 37 La dispersione modale si verifica solo nelle fibre multimodali in cui più modi possono propagarsi alla stessa lunghezza d onda. Modi differenti nella fibra si riflettono a differenti angoli alle sue pareti e compiono al suo interno cammini di diversa lunghezza con la conseguenza che i modi di ordine superiore raggiungono la fine della fibra dopo quelli di ordine più basso. Quantitativamente la dispersione intermodale è molto più grande di quella cromatica e limita fortemente la banda delle fibre multimodali.

38 Larghezza di banda (1/9) 38 La dispersione limita la capacità di trasmissione di una fibra.

39 Larghezza di banda (2/9) 39 La bandwidth (larghezza di banda) misura la capacità di una fibra di trasportare i dati e si esprime come il prodotto della banda per la distanza percorribile. Per esempio una fibra con 400 MHz*Km di banda può trasmettere dati con una banda di 400 MHz per 1 Km o 20 MHz per 20 Km. Il limite primario della larghezza di banda è l'allargamento degli impulsi che avviene per effetto della dispersione modale e cromatica. Banda tipica delle fibre ottiche

40 Larghezza di banda (3/9) 40 Allo scopo di aumentare la larghezza di banda negli anni sono state proposte due soluzioni: Per le fibre monomodali si sono realizzate le fibre dispersion shifted. Per le fibre multimodali si sono introdotte le fibre graded index.

41 Larghezza di banda (fibra dispersion shifted) (4/9) 41 Se si confrontano le curve di dispersione e di attenuazione spettrale di una guida in silice, si osserva che mentre l attenuazione raggiunge il suo minimo a λ=1550 nm, la dispersione si annulla a λ=1300 nm. Per avere le massime prestazioni sarebbe desiderabile che il minimo di attenuazione coincidesse con lo zero di dispersione. Poiché esiste un contributo alla dispersione dovuto alla guida d onda è chiaro che una accurata progettazione della fibra permette di ottenere lo scopo desiderato. Nascono così le fibre a dispersione spostata. Per realizzarle si interviene sull'andamento radiale dell'indice di rifrazione.

42 Larghezza di banda (fibra dispersion shifted) (5/9) Profili d'indice di fibre a dispersione spostata 42 Profilo tradizionale

43 Larghezza di banda (fibra dispersion shifted) (6/9) Profili d'indice di fibre a dispersione spostata 43

44 Larghezza di banda (fibra dispersion shifted) (7/9) 44 Attualmente le fibre dispersion shifted non vengono più utilizzate come fibre per trasmettere segnali a distanze elevate, quanto piuttosto in applicazioni che richiedono l'assenza di dispersione come l'amplificazione ottica o l'amplificazione Raman o la generazione di nuove frequenze nel caso la fibra sia drogata opportunamente con materiali non lineari. Questo per evitare che le elevate potenze dei lasers utilizzati come sorgente diano luogo a fenomeni non lineari che in questo contesto risultano deleteri.

45 Larghezza di banda (fibra graded index) (8/9) 45 Il core di una fibra a gradiente d'indice ha un indice di rifrazione che decresce radialmente continuamente dal centro fino all'interfaccia con il cladding. x n(x) 2 1 Profilo d'indice Il risultato è che la velocità della luce aumenta con la distanza dall asse della fibra (infatti l indice di rifrazione diminuisce). Anche se i raggi con inclinazione maggiore rispetto all asse della fibra fanno più strada, essi viaggiano piu veloci, in modo che i tempi di transito di raggi diversi (modi diversi) sono equalizzati e la dispersione modale risulta notevolmente ridotta.

46 Larghezza di banda (9/9) 46

47 Potenza (1/3) 47 La quantità di potenza che una fibra può trasportare senza subire danneggiamenti è normalmente espressa in termini di massima potenza accettabile. La densità di potenza è il rapporto tra la potenza massima che può avere la radiazione laser e l'area del fascio emesso. Per esempio un fascio laser di 15 W focalizzato in uno spot con diametro di 150 µm produce una densità di potenza pari a:

48 Potenza (2/3) 48 L'uscita di un laser impulsato (che tipicamente viene espressa in mj per impulso) deve essere prima convertita in potenza. Per esempio un laser che produce un impulso di 50 mj con durata di 10 ns fornisce una potenza di uscita pari a: Osservazione: si ricorda che in un impulso gaussiano: Ep P p 0.94 =4.7 MW p tuttavia essendo il valore generico (5 MW) più elevato conviene fare riferimento a quello per determinare la potenza massima trasportabile.

49 Potenza (3/3) 49 Per trasmettere la potenza massima dentro la fibra è necessario che le sue facce siano perfettamente lisce e lucide nonché perfettamente perpendicolari all'asse della fibra e al fascio incidente (è importante anche l'allineamento fascio-fibra). Inoltre il diametro del fascio non deve essere più largo di metà del diametro del core. Se il fascio non è focalizzato in questo modo una parte dell'energia si accoppia nel cladding e può danneggiare velocemente le fibre con cladding di plastica. Per questa ragione in applicazioni di potenza è preferibile utilizzare fibre con il cladding in silice.